HOME > 실무지식 > 발전기 병렬운전

  동기 발전기는 전력계통에서 여러 대의 발전기가 병렬운전 된다. 즉 발전기는 부하에 따라 병렬 운전되고, 적은 량의 전력이 필요시 연료 절감 및 장비 소손 등을 보호하는 측면에서 발전기 병렬 운전은 필수적이라 할 수 있다. 특히 사회가 발전하면서 전력생산이 수요충족을 못시키고 있으며 에너지 고갈 등을 고려 할 때 핵발전소 건설을 하여야 대 전력을 얻어 수요자의 충족을 시킬 수 있으나 세계도처에서 안전사고 등으로 인류가 공존하는데 엄청난 위험이 뒤따를 수 있으므로 핵발전소 건설반대로 전력수급에 어려움이 뒤따르고 있는 실정임. 몇 년 전까지 한국전력 측 독점사업으로 전력생산에 미미한 대처로 더욱 어려움이 있는 것 같으며 대기업 주축으로 열 병합 발전소 등을 건설하여 쓰고 남은 전력을 한국전력 측에 다시 팔아야 할 것이다.
전력수급 불충분으로 수요자의 소요전력증가로 인하여 계약전력 이상 순간적으로 전력 초과 사용할 때도 일 년 동안 계속 초과 사용량의 전력요금을 지불하므로 결국 소비자만 손해를 보고 있는 실정이며 최근부터 비상발전기를 이용하여 정전 시 현장에 전력공급과 계약전력부족으로 최대사용전력 도달 시 한전 측 선로와 발전기의 병렬운전으로 작업현장에 정전 없이 안정적으로 전력을 공급하므로 제품 생산의 극대화 할 수 있으며 제품불량률을 최소화 할 수 있다.
또한 계약전력 이상 초과 사용으로 인하여 지불하여야할 년 간 전력요금과 발전기운전으로 소비된 금액과 최대전력 초과 사용하지 아니한 년 간 사용전력요금과 합산하여 비교하면 발전기에 투자하여야 하는 것은 바로 알 수 있을 것입니다.
  동기 발전기를 안전하고 만족하게 병렬 운전하기 위해서는, 발전기와 원동기에 각각 갖추어야 할 조건이 있다.
 
 
  (1) 정격 전압이 같을 것 (무효순환전류흐름)
(2) 위상이 일치할 것 (동기화전류흐름)
(3) 정격 주파수가 같을 것 (난조의원인)
(4) 파형이 같을 것 ※(4)의 조건은 큰 영향을 미치지는 않는다.
  다음으로 위의 병렬 운전 조건을 만족하지 않을 때 발생하는 현상을 상세히 설명하기로 한다.
 
  1) 전압이 같지 않을 경우
그림 (1-1)의 (a)에서와 같이 2대의 동기 발전기 G1,G2 가 병렬로 모선에 접속되어 있는 경우 유기 기전력의 VECTOR도 그림(1-1)의 b와 같이 된다. 만약 E1 E2 이면, 합성 기전력 Er=E1-E2가 되어 두 발전기 사이에는 순환 전류가 흐르게 되는데 발전기에서는 동기 리액턴스가 전기자 저항보다 훨씬 크므로, 순환 전류는 전압에 대해서 거의 90도 위상차를 갖는데, 즉 무효 순환 전류가 흐르게 된다.
이 순환 전류는 G1 발전기에 대해서는 지상이므로 전기자 반작용은 감자작용을 해서 계자를 약하게 하고,G2에 대해서는 진상이므로 전기자 반작용은 증자 작용을 하므로 계자를 강하게 하여 전압의 평형을 유지하도록 한다.
이는 마치 수위가 높은 곳의 물이 수위가 낮은 쪽으로 흘러 수위를 같게 하는 것과 마찬가지로, 모든 자연의 현상은 평형(BALANCE)을 이루려고 하는 것과 같이 생각할 수 있다.
 
[그림 1.1 기전력 크기가 상이한 경우]
 
(2) 위상이 같지 않을 경우
# 위항은 생략 합니다.

(3) 주파수가 같지 않을 경우
기전력의 주파수가 틀리게 되면 위상이 일치하지 않는 시간이 생기며, 두 발전기 사이에 동기화 전류가 교대로 주기적으로 흐르게 된다. 이 경우 동기화 전류의 교환이 빈번하면 난조의 원인이 될 수 있다.
### 위 사항은 원동기의 회전수가 같지 않으므로 전력(부하)분담이 서로 다르게 된다.
즉 점차적으로 부하가 상승하게 되면 부하 분담도 같아야 하는데, 원동기 및 가바나 쪽의 원인으로 서로 회전수가 같지 않는 현상을 말합니다.
### SPEED CONTROLLER & LOAD SHARING 창치 설치 필요 ###

(4) 파형이 같지 않을 경우
# 위 사항은 생략 합니다.
 
 
  (1) 각 속도가 균일할 것
(2) 적당한 속도 조정율을 가질 것
  (1)균일한 각속도
병렬 운전을 하고 있는 발전기의 회전수가 서로 같다고 하여도, 회전 중에 각속도가 균일하지 않으면, 순간적으로 기전력의 크기와 위상차가 생겨서 두 발전기 간에는 고조파 무효 순환 전류가 흐르게 되므로, 만족한 병렬 운전을 할 수 없게 된다.
## 즉, 역 기전력,기전력크기, 고조파, 무효 순환 전류 등으로 제어기기에 고장을 가져오게 된다.##
## SPEED CONTROLLER 설치로 원할 한 운전 ##

(2) 속도 조정율
부하의 변동에 대해서는 속도 조정율이 작은 것이 좋으나, 부하 분담을 원활하게 하려면, 적당한 속도 조정율을 가지고 있어야 한다.
 
  병렬로 접속한 발전기에 부하를 걸면, 이 부하의 유효 전력은 각 발전기가 원동기에서 받는 동력에 비례하여 분담하게 되고, 무효 전력은 각 발전기에 주어지는 여자(EXCITATION)의 크기에 의해서 결정된다.
### SPEED CONTROLLER & LOAD SHARING DEVICE 설치 ###
 
 
  (1) 무효 전력
병렬 운전되고 있는 두 발전기 G1,G2 의 전압과 위상이 같을 때,G1 발전기의 여자를 증가 시키면,두 발전기의 유기 기전력이 차이가 나므로,G1,G2 발전기 사이에는 무효 순환 전류가 흐르게 되어,G1 발전기에 대해서는 지상 전류가 되어 단자 전압을 내리게 되고,G2 발전기에 대해서는 진상이 되어 단자 전압을 올리게 되어, 두 발전기의 단자 전압은 평형을 이루게 된다. 이와 같이 무효 순환 전류가 흐르게 되면 G1 발전기는 그만큼 무효 순환 전류가 증가하고, G2 발전기는 그만큼 무효 순환 전류가 감소하게 되므로, 결과적으로 무효 전력의 분담이 변하게 된다. 즉 병렬 운전에서 발전기의 여자를 변화 시키면,무효 전력의 분담을 조정할 수 있다.
### 자동 전압 조정기 계통의 고장 등으로 과전류 계전기 동작이 불확실 할 때 발전기 코일소손 우려 ###
### 한전선로와 비상발전기 간 병렬운전 시 발전기 쪽의 여자(EXCITATION)조정에 의해 역률조정 ###

(2) 유효 전력
병렬 운전하고 있는 두 발전기 G1,G2 에서 G2 발전기의 원동기의 조속기를 조정하여 G2 발전기의 기계적 입력을 증가 시키면 G2의 유기 전압의 위상은 G1에 비하여 위상이 앞서려고 하므로, 두 발전기 사이에 동기 화력이 발생해서 G2 발전기의 부하는 증가하게 되고,G1 발전기의 부하는 감소하게 되어 부하 분담이 변하게 된다. 이 경우 선로의 주파수 및 전압을 일정 하게 유지하기 위해서는 G2 발전기에 주어진 기계적 입력만큼 G1 발전기의 기계적 입력을 G1 발전기의 조속기에 의해서 증가시켜야 한다.
즉, 병렬 운전에서 발전기 원동기의 기계적 출력을 변화 시키면,유효 전력의 분담을 조정할 수 있게 된다.
#### 원동기의 기계적 출력 변화, 연료 계통 이상 등으로 한쪽 발전기가 MOTOR가 되어
원동기 및 발전기 소손, 역 전력 계전기 불확실 동작 등으로(계전기 동작으로 미연에 사고 방지) ####
#### SPEED CONTROLLER & LOAD SHARING 장치 설치로 사고 미연 방지 ####
 
 
  병렬 운전 중에 계통의 부하가 변화하면, 부하의 분담은 조속기(GOVERNOR)의 특성에 따라서 자동적으로 이루어진다. 조속기의 특성을 표시하는 것으로 속도 조정율(SPEED VARIATION)이 있는데, 이것은 다음과 같다.
No-N
속도 조정율 S = ---------- *100[%] ....... 그림 참조
 

  여기서, N은 정격 출력에서의 정격 회전수,No는 조속기를 조정 하지 않고 정격 출력에서 무 부하로 하였을 때의 회전수이다. 보통 S는 2 -- 3[%] 정도이며, 보상기에 의해서 S의 값에 따라서 속도 부하 특성 곡선의 기울기가 결정되는데 S의 값이 작을 때에는 속도 변화에 따르는 부하의 변화가 너무 커서 운전이 불안정하게 된다. 각 발전기의 속도 조정율이 상이하여 속도 특성이 위의 그림과 같이 표시될 때 이것을 병렬 운전하면 두 발전기의 주파수가 같다는 것이 필요조건 이므로,각 발전기의 부하 분담 은 정격 부하에서 일치하나, 부분 부하에서는 그림과 같이 용량에 비례하지 않는다. 그러므로 발전기의 병렬 운전에서는 어떤 부하에서나 각 발전기의 용량에 비례하는 부하가 분배 되자면 속도 조정율이 같아야 한다.
#### SPEED CONTROLLER & LOAD SHARING 장치 설치로 균일한 부하 분담 ####
 
 
  ## 위 사항은 생략합니다.
 
 
  난조의 정도가 약한 경우에는 동기화력의 변동에 따르는 주파수계, 전류계 등의 지침이 약간 떨리는 정도이며, 정격치의 몇%범위 내이면 운전하는데 큰 지장은 없으나, 심한 경우에는 발전기 자체가 동기 속도 부근에서 진동하게 되어 동기화력도 커지고, 주파수, 전류, 전력이 크게 변화하여 동기를 벗어나(탈조 현상),정지하게 된다.
난조의 원인은 다음과 같다.

(1) 원동기의 조속기의 감도가 너무 예민한 경우
(2) 원동기 회전력에 고조파 성분이 포함되는 경우(GOVERNOR 특성변화 & BACK POWER유입등..)
(3) 전기자 회로의 저항이 너무 큰 경우

난조의 방지책은 다음과 같다.

(1) 회전자의 관성 J 를 적당하게 하여 회전자의 고유 주파수를 난조의 원인인 원동기의 강제 진동의 주파수와 차이가 나게 한다.
(2) 제동 권선(DAMPER)을 설치한다.(이 권선은 발전기 제작 시 설치하였으리라 생각함)
(3) 역 기전력 흡수 장치 설치(바리스터 또는 TNR)
(4) 발전기 단독 운전 시 SPEED CONTROLLER만 설치필요
(5) 병렬 운전 시 SPEED CONTROLLER & LOAD SHARING 장치 설치필요

### 난조, 항은 ENGINE 소손 및 GENERATOR 제어부분 쪽의 고장을 많이 가져 올수 있다
### GEN. 병렬운전 시 ENG. 과 ENG. 사이에 전기적으로 COUPLING 되어있어 VIBRATION 및 CYCLE의 주기로 인하여
GOVERNOR POWER가 약하며 DAMPING 역할이 잘되지 않아 ENG. 과 ENG. 사이에 주기적으로 회전속도에 고조파성분이 발생하여 M.S.B.D의 KW METER가 심하게 진동하며 불안정한 전력공급이 되고 LOW LOAD에서 REVERSE POWER RELAY 동작하여 차단기 TRIP이 되고, 또한 重(HEAVY LOAD)부하에서는 안정적으로 전력이 공급되지만 갑자기 LOW LOAD로 부하가 변화 시 ENG. 소손의 우려가 있습니다.

 

1) 보호 방식
발전 설비의 보호를 위하여 반드시 필요한 보호 장치는 아래와 같다.

(1) 과속도 보호 장치 : 정격 회전의 115[%] 이상에서 동작한다.
(2) 냉각수의 단수 또는 온도 상승 경보회로
(3) 과전압, 과전류 보호 장치,
(4) 역기전력 보호 장치 (병렬 운전 시 설치 필요)
(5) LO 압력 저하 시 엔진 STOP 회로